超薄沥青混凝土磨耗层研究综述

刘继法，张 振，孟 伟 ，李 胜，井 硕

（1.泰安市公路规划设计院，山东 泰安 271000；2.山东建筑大学 交通工程学院，山东 济南 250100）

引言

超薄磨耗层技术是实施厚度在15 ～25 mm 的沥青磨耗层铺装技术，能够有效迅速修复坑槽、裂缝、松散、磨光等病害，同时具有抗滑性能强、耐久性能好、黏结强度高、行车噪声低和封水效果好等特点。由于厚度减少，可以节约造价与维护费用，大幅度降低能源及材料的消耗，属于环境友好型道路铺装技术[1]。目前普遍倡导对路面的功能性进行深化设计以及按需设计，超薄磨耗层不仅要符合结构性能设计标准，而且要求具有抗磨光、行车噪音低、抗老化等功能。

1 国内外超薄磨耗层研究现状

20 世纪70 年代，由于交通量迅猛增长引起的道路病害问题频繁出现，道路的养护需求逐渐加大。法国首先提出了超薄沥青混凝土面层(BBUM)用于路面抗滑性能的提升与恢复。超薄磨耗层在经济、效率和绿色环保等方面体现出良好的效益，发展迅速。20 世纪80 年代出现了两种新型薄层罩面技术，超薄沥青混凝土(Ultra Thin Asphalt Concrete，UTAC)和基于同步摊铺技术的Nova Chip 超薄磨耗层。在重交通荷载、路面等级更高的公路路面上主要应用超薄沥青混凝土与磨耗层[2]。20 世纪70 年代，美国研发出了一种开级配抗滑磨耗层(OPEN-Graded Friction Course，OGFC)，替代了其他路面表层养护技术。通过磨耗层技术的不断发展，美国通过研究又开发出了SUP-5 和SMA-5 两种更为先进的薄层技术。法国的Nova Chip 超薄磨耗层具有十分优良的抗滑性能并且降噪功能良好，空隙率一般在12%～15%之间，具有优良的排水性能。国外对于超薄磨耗层的研究注重于抗滑性能、表面功能层性能评价以及冬季路面融雪等方面，国内外的现有各种超薄磨耗层技术的实际效果没有得到完全的验证，没有在国内进行大量实际应用，尚需进一步研究。

2 国内外常见超薄磨耗层技术

国内外常见的超薄磨耗层技术可从级配类型、应用场景、温度等方面进行分类，按照级配类型可以划分为间断级配、开级配、连续级配。按照结构类型可划分为骨架密实型结构、骨架空隙型结构、悬浮密实型结构。按照应用场景可以划分为水泥路面、旧沥青路面、桥面铺装三种类型，对旧沥青路面进行养护是超薄磨耗层的主要应用场景。按照施工工艺可以划分为热拌超薄磨耗层、温拌超薄磨耗层、冷拌超薄磨耗层三种类型，目前的超薄磨耗层普遍为热拌合工艺。

2.1 SMA-10[3]

SMA-10 的各类路用性能都十分良好，在新旧路面中均可使用，在道路养护中可以快速修复路面病害，对于车辙和路面网状裂缝具有优良的修复效果，可以应用于各类等级公路的薄层罩面，延长路面的使用寿命。

2.2 Nova Chip[4]

Nova Chip 磨耗层由具有超强黏结能力的改性乳化沥青黏结层和高性能的间断半开式级配改性热沥青混合料组成。Nova Chip 技术应用于道路路面养护时，能够进一步改善路面的平整度和舒适性，并增强路面的使用性能和耐久性能。目前Nova Chip 产品的开发技术十分成熟，乳化沥青Novabond 是专门为此技术研究出的黏层油，提高了层间的黏结能力，而且施工方面开发出了专门的机械设备。

2.3 GT-8[5]高韧超薄沥青磨耗层

GT-8 是在Nova Chip 的基础上进行了改进的薄层罩面，采用了粗骨料空隙填充设计法（Coarse Aggregate Voids Filling Method，CAVF）设计出来的一种骨架密实型级配的新型薄层罩面。相比较于其他磨耗层，GT-8 具有更加优良的抗滑性能、耐久性能、韧性以及抗疲劳性能，采用同步摊铺技术。

2.4 ECA-10

ECA-10 采用热混合料进行铺筑道路磨耗层，对于路面产生的轻微非剪切失稳车辙的修复十分有效。ECA-10 的关键在于掺加一种改性剂，能够达到沥青的降黏效果，增加沥青的流变性能，使得混合料能够易于施工的摊铺压实。同时与Nova Chip 相比该技术不需要特殊的机械设备，采用常规施工设备，提高了施工的简便程度。

2.5 对比分析

材料的部分技术指标见表1。

表 1 超薄磨耗层部分技术指标

3 超薄磨耗层用高黏沥青

超薄磨耗层的路用性能十分依赖沥青的黏结力，在超薄磨耗层中一般通过使用高黏改性沥青来增加沥青混合料的高温稳定性、水稳定性、耐久性等路用性能，并且能够延长超薄磨耗层的使用寿命。高黏改性沥青是通过基质沥青、改性剂、增黏剂及添加剂四种原材料组成的黏弹性材料，60 ℃动力黏度达20 000 Pa·s 以上为高黏沥青，其基础指标见表2。

表 2 高黏沥青基本性能指标

3.1 热塑性弹性体类

热塑性弹性体的性能优良，具有很好的韧性、弹性以及较高的强度，TPS、SBS、SIS 以及SEBS 等是主要的代表性产品。其中TPS 与SBS 是两种应用最为广泛的改性剂，TPS 加入基质沥青中能够显著提升基质沥青的黏度以及黏弹性。TPS 制备的高黏改性沥青可以使超薄磨耗层的路用性能产生明显的提升。SBS 是应用最为广泛的高黏改性剂，通常与树脂、增塑剂等成分复合制备高黏改性沥青。SBS 具有两相结构，分为线型SBS 与星型SBS，线型SBS 相对分子量比较低、在沥青中的溶解性比较好、黏度小；星型SBS 分子量高、模量大，具备良好的耐高温性能[6]。

3.2 橡胶类[7]

高黏橡胶改性沥青通常由橡胶粉与其他改性剂进行复合制备，橡胶粉通常由废旧轮胎制备，橡胶高黏改性沥青的黏弹性十分优良，但是在低温条件下对延度有不良影响，橡胶改性沥青通常运用湿法进行制备，基质沥青、胶粉、稳定剂和相溶剂融合在一起，通过加热到高温条件并通过高速剪切仪进行长时间高速剪切制备，再将制备完成的高黏改性沥青运送到施工现场与集料拌合制备沥青混合料。

3.3 纳米类

高黏纳米改性沥青在沥青方面展现出的强度和韧性十分优良，纳米材料能够很好地与沥青相结合，提高沥青的黏结力，只在基质沥青中添加纳米材料无法制备高黏沥青，需要将纳米材料与多种改性剂进行复合改性来获得高黏沥青。添加纳米材料还可以使路面具有特殊功能，如将二氧化钛（TiO2）加入TPS改性剂，制备出具有光催化分解汽车尾气的路面。

3.4 纤维类

纤维对基质沥青进行高黏改性同样需要加入其他改性进行复合改性，单一纤维的加入并不能够提升沥青性能，达到磨耗层用高黏沥青标准。纤维的加入能够提升沥青的附着能力、坚韧程度以及扩张力，但纤维材料由于大多数都呈现棉絮状，在进行改性时往往易于结团导致分布不均匀，影响改性效果。

4 超薄磨耗层评价方法与级配设计

评价超薄磨耗层性能主要从路用性能、高温性能、抗裂性能、抗滑性能及耐久性等方面进行评价[8]。

超薄磨耗层的厚度降低，导致磨耗层铺装的路面更加容易开裂，影响开裂的因素十分复杂，沥青混合料的抗裂性能通常与其韧性相关度较高。一般采用低温弯曲试验、冲击韧性试验、半圆弯曲试验和四点疲劳试验对沥青混合料的抗裂性能进行评价，国内磨耗层另一个重要的性能评价是其抗滑性能，磨耗层作为表面层，磨耗层的抗滑性能对于行车安全起着十分重要的作用。超薄磨耗层的抗滑性能要在设计年限内提供足够的表面构造深度，来提高车辆与磨耗层之间的摩擦力，保证行车安全。超薄磨耗层表面和轮胎接触时，两者之间的摩擦力和相互作用是影响抗滑性能的关键因素，因此评价胎-路介面接触的检测方法也十分重要，国内外的检测技术主要包括：压力板法、压力传感器法、压敏膜法等。

超薄磨耗层的级配设计，根据不同的功能进行按需设计不同的级配类型，如Nova Chip 为间断级配，集料之间的结构强度主要依赖于粗集料之间的沥青提供的“点对点”的胶结作用；GT-8 为骨架密实型结构，能够通过嵌挤作用提高结构强度抵抗行车荷载，并且高用量的沥青能够代替一部分的细集料，增加了沥青混合料的耐久性和抗疲劳性能；OGFC-10 为开级配，能够为道路提供良好的透水性。

超薄磨耗层中的黏结材料起到将薄层与下承层紧密黏结的作用，黏结力是超薄磨耗层技术是否达标的一个关键因素。因此，黏结层材料需要具备高黏度。现在使用的黏层材料往往因黏结性能不佳，在受到轴载作用时超薄磨耗层极易产生推移或从原路面脱落而失去作用，黏层材料的黏结力不足是制约超薄磨耗层技术向前推进的一个重要因素。

5 存在问题及发展趋势

超薄磨耗层技术能够显著提升路面性能，同时存在需要解决的技术问题：（1）与传统磨耗层相比，超薄磨耗层厚度的减少使得沥青面层更容易产生疲劳开裂、水损害、推移等问题；（2）超薄磨耗层的施工工艺与传统施工工艺没有较大区别，缺乏对于层间黏结的保护，层间以及产生损害的地方更容易成为病害的发生位置，是超薄磨耗层结构中的薄弱区域；（3）超薄磨耗层的级配设计主要为开级配和半开级配，大空隙更容易产生开裂，表面空隙也容易堵塞，在排水性能和降噪方面容易产生过度衰减。

超薄磨耗层技术提倡绿色环保、低碳节约，符合国家“双减”政策，未来研究应该着重于超薄磨耗层的力学性能分析、改性沥青的性能提升、优化级配设计等方面，保证超薄磨耗层路用性能的同时，降低磨耗层的厚度并使用绿色环保型材料，满足一些重荷载以及特殊应用环境的使用；优化沥青混合料的拌合工艺，降低拌合温度，研发温拌型超薄磨耗层，提高施工和易性，提升超薄磨耗层的生态效益，依据碳达峰、碳中和的方向进行发展。